DE19500475C2 - Absperr- oder Drosselventil mit drehbarer Ventilklappe - Google Patents

Absperr- oder Drosselventil mit drehbarer Ventilklappe

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Absperr- oder Drosselventil für eine Abgasleitung eines Verbrennungsmotors zum Erzeugen eines Staudrucks. Insbeson­ dere soll ein Absperrventil geschaffen werden, das in dem mit einem Abgaswärme­ tauscher und einem Katalysator versehenen Abgasstrang eines Verbrennungsmotors eingesetzt wird, um das Abgas wahlweise über den Wärmetauscher oder einen Bypaß zu leiten. Das Ventil kann als Absperrventil zur Sperrung des Bypasses oder als Drosselventil zum Drosseln des über den Abgaswärmetauscher gebührten Ab­ gasstromes eingesetzt werden.
Derartige Absperrventile sind üblicherweise als Klappenventile ausgebildet, die eine zwischen einer Öffnungs- und Schließstellung verschwenkbare Ventil­ klappe mit einer Drehachse und einer daran vorgesehenen Klappenfläche besitzt. Ein Problem derartiger Klappenventile besteht darin, daß bei einer Leckage zwi­ schen Klappenfläche und Ventilgehäuse Energie verloren geht. Werden zur Verrin­ gerung der Leckage die Toleranzen zwischen Klappenfläche und Gehäuse sehr eng gehalten, kann es aufgrund der Wärmedehnung im Betrieb zu einem Verklemmen der Ventilklappe kommen.
Um ein Klemmen durch Wärmedehnung zu vermeiden, ist es bereits bekannt geworden, die Ventilklappe in der Schließstellung schräg zur Durchflußachse anzu­ ordnen, so daß sie mit ihrer Umfangsfläche dichtend an dem zylindrischen Gehäuse anliegt. Diese Maßnahme zur Verhinderung des Klemmens ist allerdings nur an den am weitesten von der Drehachse entfernten Umfangsabschnitten wirksam; im Be­ reich der die Drehachse querenden Umfangsabschnitte ist sie unwirksam, weil in Achsrichtung keine Schräglage zur Rohrachse besteht.
Die DE 24 27 995 A1, die EP 424 197 A1 sowie die DE 29 43 986 A1 of­ fenbaren jeweils ein Ventil mit einem Gehäuse, einer im Gehäuse angeordneten, zwischen einer Öffnungs- und Schließstellung verschwenkbaren Ventilklappe mit einer Drehachse und einer daran vorgesehenen, von der Drehachse in zwei Teilflä­ chen unterteilten Klappenfläche, die in der Schließstellung in einer quer zur Längs­ achse der Abgasleitung verlaufenden Schließebene liegt, und zwei am Gehäuse vor­ gesehenen Anschlagkanten, die auf gegenüberliegenden Seiten der Ventilklappe entgegengesetzt zueinander gerichtet so angeordnet und ausgebildet sind, daß sich bei einer Bewegung der Ventilklappe in die Schließstellung die eine Teilfäche in ihrem Umfangsbereich an eine der Anschlagkanten, und die andere Teilfläche in ihrem Umfangsbereich an die andere der Anschlagkanten dicht anlegt.
Durch diese stirnseitige Abdichtung zwischen Ventilklappe und Gehäuse las­ sen sich Leckverluste erheblich verringern. Ein Verklemmen aufgrund von Wärme­ ausdehnungen kann in einfacher Weise dadurch vermieden werden, daß die Ventilklappe mit ihrem Rand in allen Stellungen einen ausreichenden Abstand vom Gehäuse hat. Wird ein derartiges Ventil in der Abgasleitung eines Verbrennungsmo­ tors zum Erzeugen eines Staudrucks von beispielsweise 5 bar im Leerlauf, d. h. bei etwa 500 U/Min. eingesetzt, kommt es zu Instabilitäten der Ventilkappe, insbeson­ dere aufgrund von im Betrieb unvermeidlichen Strömungsturbulenzen sowie Rei­ bungskräften in der Lagerung der Ventilklappe. Aus diesem Grund ist es auch zur Drosselung bzw. Regelung des Staudrucks in der Abgasleitung nicht geeignet.
Die DE-OS 17 50 438, die DE-OS 16 75 481 und die DE 26 48 676 A1 of­ fenbaren jeweils ein Ventil einer etwas anderen Gattung mit einem Gehäuse, einer im Gehäuse angeordneten, zwischen einer Öffnungs- und Schließstellung ver­ schwenkbaren Ventilklappe mit einer Drehachse und einer daran vorgesehenen Klappenfläche, die in der Schließstellung in einer quer zur Längsachse der Abgasleitung verlaufenden Schließebene liegt, einer am Gehäuse vorgesehenen An­ schlagkante, die in einer parallel zur Schließebene verlaufenden Ebene so angeord­ net ist, daß sich bei einer Bewegung der Ventilklappe in die Schließstellung die Klappenfläche in ihrem Umfangsbereich an die Anschlagkante dicht anlegt, wobei die Drehachse der Ventilklappe radial außerhalb des von der Ventilklappe ver­ schließbaren Öffnungsquerschnittes angeordnet ist, die Plattenfläche einteilig aus­ gebildet und an einer Seite der Drehachse vorgesehen ist und die Anschlagkante eine einzige umlaufende Stirnfläche ist, wobei die Ventilplatte so angeordnet ist, daß der Staudruck auf die Ventilplatte ein Drehmoment in Richtung auf die Öff­ nungsstellung ausübt. Zum Betätigen der Ventilklappe ist beispielsweise ein Stellzylinder mit einem Kolben vorgesehen, der über einen Stellhebel mit der Dreh­ achse der Ventilklappe verbunden ist.
Wird ein derartiges Ventil als Absperr- oder Drosselventil in einer Abgaslei­ tung eines Verbrennungsmotors eingesetzt, so lastet der gesamte Staudruck in der Schließstellung auf der Ventilklappe, so daß zum Verstellen der Ventilklappe in die Schließstellung enstprechend große Stellkräfte erforderlich sind. Eine stabile Lage der Ventilklappe in der Schließstellung wie auch in Zwischenstellungen zwischen der Schließstellung und Öffnungsstellung ist aus diesem Grund ebenfalls nicht ge­ geben, und eine Regelung der Ventilklappe ist daher entsprechend schwierig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Absperr- oder Drosselventil für eine Abgasleitung eines Verbrennungsmotors zum Erzeugen eines Staudrucks - von beispielsweise 5 bar im Leerlauf des Verbrennungsmotors - zu schaffen, bei dem trotz minimaler Leckverluste und einer einwandfreien Funktionsfähigkeit die Ventilklappe in allen Betriebszuständen eine stabile Lage einnimmt und in einfacher Weise regelbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 und 7 definierten Erfin­ dungen gelöst.
Beiden Lösungen ist gemeinsam, daß die Ventilklappe so ausgebildet und angeordnet ist, daß der Staudruck auf die Ventilklappe ein resultierendes Drehmo­ ment in Richtung auf die Öffnungsstellung ausübt, dem eine Rückstellkraft entge­ genwirkt. Hierdurch läßt sich ohne weiteres eine stabile Lage der Ventilklappe er­ reichen, die einen Staudruck entsprechend der Kennlinie der Rückstellkraft aufrecht erhält. Zum Verstellen der Ventilklappe ist dann nur eine relativ kleine Zusatzkraft erforderlich, so daß sich die Ventilklappe in einfacher Weise regeln läßt. Dennoch ist durch die stirnseitige Anlage zwischen den Anschlagkanten des Gehäuses und der Ventilklappe eine einwandfreie Abdichtung in der Schließstellung gewährleistet, wobei die Ventilklappe einen ausreichenden Abstand vom Gehäuse einhalten kann, um ein Verklemmen aufgrund von Wärmeausdehnungen zu vermeiden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprü­ chen definiert.
Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausge­ bildetes Drehklappenventil senkrecht zur Drehachse,
Fig. 2 einen Querschnitt durch das in Fig. 1 gezeigte Ven­ til in Richtung der Drehachse,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Variante mit einseitig gelagerter Drehklappe,
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung der Vorrichtung zur Kompensierung des Staudrucks und
Fig. 5 eine Variante des Ventils als degressiv belastete Drehklappe.
Eine allgemein mit 10 bezeichnete rohrförmige Strömungslei­ tung mit kreisförmigem Querschnitt ist im Bereich einer Rohr­ muffe 12 getrennt, wobei die beiden voneinander getrennten Rohrabschnitte 14 und 16 einen die Einfügung einer Ventil­ klappe 18 ermöglichenden Abstand voneinander aufweisen. Die Erfindung ist aber auch bei anderen Querschnittsformen der Strömungsleitung, insbesondere bei rechteckigen Querschnit­ ten, mit Vorteil anwendbar. Die Ventilklappe 18 kann als einfaches Stanzteil ausgebildet sein und ist mit einer Dreh­ achse 20 verbunden, die in Lagern 22 und 24 an der Muffe 12 gelagert und auf einer Seite zur Verbindung mit einem Stell- oder Steuerungsmechanismus aus der Muffe 12 herausgeführt ist.
Die Rohrmuffe 12 und die in sie eingreifenden Rohrabschnitte 14 und 16 bilden zusammen das Ventilgehäuse 26.
Der aus der Muffe 12 herausgeführte Abschnitt der Drehachse 20 ist mit einem Bund 21 versehen, der als Widerlager für eine die Drehachse umgebende Druckfeder 23 bildet, die einen innerhalb des als lösbare Kappe ausgebildeten Lagers 24 an­ geordneten und an der Achse 20 ausgebildeten Dichtungsflansch 25 dichtend gegen die Innenseite des Lagers 24 drückt.
Die Ventilklappe 18 hält ringsum einen so ausreichenden Ab­ stand von der Innenwandung des Ventilgehäuses 26, daß dieser die freie Beweglichkeit sichernde Abstand auch nicht durch die im Betrieb unter Wärmeeinfluß zu erwartenden Maßänderun­ gen überwunden werden kann.
Beim gezeigten Beispiel verläuft die Ventilklappe 18 in ihrer Schließstellung senkrecht zur Durchflußrichtung bzw. Achse der Muffe 12 und in dieser Schließstellung liegt die Ventil­ klappe 18 in Schließrichtung an den ihr zugewandten Rändern der beiden Rohrabschnitte 14 und 16 an. Damit die Ventil­ klappe 18 diese Schließstellung unbehindert von den Rohrab­ schnitten 14 und 16 erreichen kann, müssen diese im Bewe­ gungsbereich der Ventilklappe 18 Ausnehmungen 30 bzw. 32 auf­ weisen, die beim gezeigten Beispiel dadurch geschaffen sind, daß die Ränder der Rohrabschnitte 14 und 16 auf der einen bzw. anderen Seite der Drehachse 20 mit einem als Anschlag­ kante 34 bzw. 36 dienenden Abschnitt an die Drehachse 20 her­ angeführt sind und dabei - um in der Öffnungsstellung eine zur Durchflußrichtung parallele Lage der Ventilklappe 18 zu ermöglichen - mindestens einen der halben Dicke der Ventil­ klappe 18 entsprechenden Abstand vom Drehzentrum einhalten. Der jeweils anschließende Abschnitt 38 bzw. 40 ist unter Bil­ dung einer Stufe soweit gegenüber der Anschlagkante 34 bzw. 36 zurückgesetzt, daß der Schwenkbereich der Ventilklappe 18 freigehalten wird, damit sich diese unbehindert zwischen Schließ- und Öffnungsstellung bewegen kann.
In Fig. 3 umschließt statt der Rohrmuffe 12 ein Klappengehäu­ se 112 die einander zugewandten Enden der beiden Rohrab­ schnitte 114 und 116, die jeweils in einer ebenen Ringfläche enden, wobei am Ende des stromauf gelegenen Rohrabschnitts 114 in Schließstellung eine Ventilklappe 118 anliegt, deren Drehachse 120 radial außerhalb des Querschnittsbereichs der Rohrabschnitte 114 und 116 das Klappengehäuse durchquert, das in diesem Bereich von einer zur Achse 120 parallelen Fläche 117 begrenzt wird, während die gegenüberliegende Wandung 119 des Klappengehäuses 112 auf dieser Seite einen zu den Rohr­ abschnitten 114 und 116 konzentrischen, gewölbten Verlauf aufweisen kann.
Die Drehachse 120 ist außerhalb des Klappengehäuses 12 mit einem Hebel 150 versehen, an dem ein Stößel 156 angreift, der mit einem doppeltwirkenden Kolben 158 in einem Zylinder 160 fest verbunden ist. Der Kolben 158 ist in eine den Zylinder 160 in zwei Kammern 162 und 164 unterteilende Membran 166 einbezogen. Der Stößel 156 wird von einer als Faltenbalg ausgebildeten Druckfeder 168 umgeben, die einerseits mit dem Kolben 158 und andererseits mit der vom Stößel 156 durchquer­ ten Zylinderwandung verbunden ist und die bestrebt ist, den Stößel 156 in den Zylinder 160 zu ziehen und dadurch die Ven­ tilklappe 118 in die geöffnete Stellung zu bewegen.
Die vom Stößel 156 durchquerte Kammer 162 steht über eine Leitung 170 mit einer Vakuumquelle, die andere Kammer 164 über eine Leitung 172 mit dem Rohrabschnitt 114 stromauf von der Schließebene in Verbindung.
Die Feder 168 hält die Ventilklappe 118 in ihrer geöffneten Stellung, bis die Kammer 162 mit dem Vakuum in Verbindung gebracht wird, wodurch dann die Membran 166 und der Kolben 158 derart bewegt werden, daß der Stößel 156 aus dem Zylinder 160 herausgeschoben und die Ventilklappe dadurch in ihre Schließstellung verschwenkt wird. Der sich dabei mit zuneh­ mender Behinderung des freien Durchflusses aufbauende Stau­ druck stromauf der Schließebene würde der Kraft des Vakuums entgegenwirken. Da aber dieser Staudruck über die Leitung 172 in der zum Schließen des Ventils erforderlichen Richtung auf den Kolben 158 einwirkt, wegen der gegenüber dem Durch­ flußquerschnitt des Rohrabschnitts 114 kleineren Oberfläche des Kolbens 158 aber eine etwas geringere Kraft ausübt als der direkt auf die geschlossene Ventilklappe 118 ausgeübte Staudruck, reicht eine relativ geringe Kraft des Vakuums aus, die Ventilklappe 118 in der geschlossenen Stellung zu halten.
Die Fig. 5 zeigt schematisch den mit dem erfindungsgemäßen Ventil ausgerüsteten Leitungsabschnitt 10, aus dem die Dreh­ achse 20 herausragt. Die Drehachse 20 hat einen abgewinkel­ ten Endabschnitt, der einen Hebelarm 50 bildet. Am freien Ende des Hebelarms 50, das weiter von der Achse 51 des Leitungsabschnitts 10 entfernt ist als das den Hebelarm 50 tra­ gende Ende der Achse 20, greift eine die Ventilklappe 18 in Schließstellung vorspannende Feder 52 an, die an einem Schwenklager 54 abgestützt ist. Dabei ist die Anordnung so getroffen, daß der wirksame Hebelarm zwischen der Drehachse 20 und der Wirkungslinie der Feder 52 mit zunehmender Öffnung der Ventilklappe 18 abnimmt, so daß das resultierende Drehmo­ ment aus Federkraft und wirksamem Hebelarm degressiv ist.
Damit kann das Ventil vorteilhaft als Stauvorrichtung in der Abgasleitung von Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, um durch einen Abgasrückstau bei Wärmebedarf eine erhöhte Wärme­ abgabe des Motors zu erreichen, wobei dieser verbrauchsstei­ gernde Rückstau mit zunehmendem Massenfluß automatisch redu­ ziert wird.

Claims (13)

1. Absperr- oder Drosselventil für eine Abgasleitung eines Verbrennungsmo­ tors zum Erzeugen eines Staudrucks, mit
einem Gehäuse (26),
einer im Gehäuse (26) angeordneten, zwischen einer Öffnungs- und Schließ­ stellung verschwenkbaren Ventilklappe (18) mit einer Drehachse (20) und einer daran vorgesehenen, von der Drehachse (20) in zwei Teilflächen unterteilten Klap­ penfläche, die in der Schließstellung in einer quer zur Längsachse der Abgasleitung verlaufenden Schließebene liegt, und
zwei am Gehäuse (26) vorgesehenen Anschlagkanten (34, 36), die auf ge­ genüberliegenden Seiten der Ventilklappe (18) entgegengesetzt zueinander gerichtet so angeordnet und ausgebildet sind, daß sich bei einer Bewegung der Ventilklappe (18) in die Schließstellung die eine Teilfläche in ihrem Umfangsbereich an eine der Anschlagkanten (34, 36) und die andere Teilfläche in ihrem Umfangsbereich an die andere der Anschlagkanten (34, 36) dicht anlegt,
wobei die eine Teilfläche größer als die andere Teilfläche ist und die Ventil­ klappe (18) so angeordnet ist, daß der Staudruck auf die Ventilklappe (18) ein re­ sultierendes Drehmoment in Richtung auf die Öffnungsstellung ausübt, und
wobei die Ventilklappe (18) mit einer Rückstellkraft (Feder 52) belastet ist, die auf die Ventilklappe (18) ein Drehmoment in Richtung auf die Schließstellung ausübt, um dem vom Staudruck ausgeübten Drehmoment entgegenzuwirken.
2. Absperr- oder Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Rückstellkraft (Feder 52) von der Stellung der Ventilklappe (18) abhängig ist.
3. Absperr- oder Drosselventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Rückstellkraft (Feder 52) derart über einen Hebel (50) an der Ventilklappe (18) angreift, daß der wirksame Hebelarm zwischen der Wirkungslinie der Rückstellkraft (52) und der Drehachse (20) der Ventilklappe (18) in Richtung der Öffnungsstellung abnimmt, so daß das von der Rückstellkraft auf die Ventil­ klappe ausgeübte Drehmoment bei einer Bewegung der Ventilklappe in Richtung auf die Öffnungsstellung degressiv ist.
4. Absperr- oder Drosselventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (26) aus einer zylindrischen Rohrmuffe (12) und zwei von dieser Rohrmuffe umschlossenen zylindrischen Rohrabschnitten (14, 16) der Abgasleitung besteht, deren der Ventilklappe (18) zugewandte Ränder auf unterschiedlichen Seiten der Drehachse (20) als Anschlagkanten (34, 36) dienen.
5. Absperr- oder Drosselventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagkanten (34, 36) des Gehäuses (26) in Radialebenen liegen, die je­ weils von der Schließebene einen Abstand haben, der höchstens der halben Wand­ stärke der Klappenfläche entspricht.
6. Absperr- oder Drosselventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die der Ventilklappe (18) zugewandten Ränder der Rohrabschnitte (14, 16) durch eine parallel zur Drehachse (20) verlaufende Stufe in zwei in Längsrichtung der Abgasleitung versetzte Abschnitte (34, 38; 36, 40) unterteilt sind, die jeweils parallel zur Schließebene verlaufen.
7. Absperr- oder Drosselventil für eine Abgasleitung eines Verbrennungsmo­ tors zum Erzeugen eines Staudrucks, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
einem Gehäuse (26; 112),
einer im Gehäuse (26, 112) angeordneten, zwischen einer Öffnungs- und Schließstellung verschwenkbaren Ventilklappe (18; 118) mit einer Drehachse (20; 120) und einer daran vorgesehenen Klappenfläche, die in der Schließstellung in ei­ ner quer zur Längsachse der Abgasleitung verlaufenden Schließebene liegt,
mindestens einer am Gehäuse (26; 112) vorgesehenen Anschlagkante (34, 36), die in einer parallel zur Schließebene verlaufenden Ebene so angeordnet ist, daß sich bei einer Bewegung der Ventilklappe (18; 118) in die Schließstellung die Klap­ penfläche in ihrem Umfangsbereich an die Anschlagkante (34, 36) dicht anlegt,
wobei die Ventilklappe (18; 118) so angeordnet ist, daß der Staudruck auf die Ventilklappe (18; 118) ein Drehmoment in Richtung auf die Öffnungsstellung aus­ übt,
und einem Stellzylinder (160) mit einem Kolben (158), der über einen Stell­ hebel (150) mit der Drehachse (20; 120) der Ventilklappe (18, 118) verbunden ist, wobei der Kolben (158) mit dem in der Abgasleitung (10) herstellbaren Staudruck so beaufschlagt wird, daß er auf den Kolben (158) eine entsprechende Kraft und damit auf die Ventilklappe (18; 118) ein entsprechendes Drehmoment in Richtung auf die Schließstellung ausübt, um dem vom Staudruck auf die Ventilklappe (18; 118) unmittelbar ausgeübten Drehmoment entgegenzuwirken.
8. Absperr- oder Drosselventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (120) der Ventilklappe (118) radial außerhalb des von der Ven­ tilklappe (158) verschließbaren Öffnungsquerschnitts angeordnet ist, daß die Klap­ penfläche einteilig ausgebildet und an einer Seite der Drehachse (120) vorgesehen ist, und daß die Anschlagkante eine einzige umlaufende Stirnfläche ist.
9. Absperr- oder Drosselventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (158) durch eine Vorspannkraft (168) in Richtung auf die Öff­ nungsstellung der Ventilklappe (118) belastet und wahlweise einem die Vorspann­ kraft (168) überwindenden Unterdruck aussetzbar ist.
10. Absperr- oder Drosselventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Staudruck beaufschlagte Fläche des Kolbens (158) etwas kleiner als der von der Ventilklappe (118) verschließbare Öffnungsquerschnitt der Abgas­ leitung ist.
11. Absperr- oder Drosselventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kolben (158) in eine zwei Kammern (162, 164) des Stellzylinders (160) trennende Membran (166) einbezogen ist, daß ein die eine Kammer (162) durchquerender und aus dieser herausgeführter Stößel (156) mit dem Stellhebel (150) in Wirkverbindung steht und mit dem Kolben (158) verbunden ist, daß die vom Stößel (156) durchquerte Kammer (162) mit einer Unterdruckquelle verbindbar und die andere Kammer (164) mit der Abgasleitung stromauf des Absperrventils verbunden ist.
12. Absperr- oder Drosselventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Vorspannkraft eine Druckfeder (168) in der vom Stößel (156) durchquerten Kammer (162) zwischen dem Kolben (158) und einer ihm ge­ genüberliegenden Wand des Stellzylinders (160) eingespannt ist.
13. Absperr- oder Drosselventil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckfeder (168) als den Stößel (156) umgebender, mit dem Kolben (158) und der Wand des Stellzylinders (160) dicht verbundener Faltenbalg ausgebildet ist.
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